Parçacık takviyeli metal matriks kompozitleri hazırlamak için birçok metot mevcuttur. Bununla birlikte en yaygın kullanılanı kompozit kaplamadır. Kompozit kaplama, bir metal ya da alaşım matriks içerisinde, mikron yada mikron altı polimerik, metalik yada metalik olmayan bileşik yada partiküllerin birlikte biriktirildikleri bir metottur. Bu tür kaplamalar, yüksek hızlı oksi-yakıt (HVOF) termal püskürtme, plazma püskürtme, lazerle giydirme, sıcak izostatik presleme, fiziksel ve kimyasal buhar biriktirme yönteminin kombinasyonu gibi tekniklerle üretilmektedir. [80, 81]. Kompozit kaplamalar metallerin aşınma direnci, korozyon direnci, sertlik, yüksek sıcaklık dayanımı gibi özelliklerini geliştirmek için yapılmaktadır.
Elektrolitik olarak kompozit kaplama mikron veya nano boyutlardaki partiküllerin bir kaplama çözeltisine ilave edilip, bu partiküllerin katotta alaşım ya da metal matriks ile birlikte çöktürülmesi ile elde edilir [80, 82].
Şekil 4.1’de elektrolitik kaplamanın şematik gösterimi verilmiştir. İletken bir yüzey elde etmek koşuluyla, biriken yüzey metal ya da metal olmayan bir madde olabilir. Kaplama tabakasının biçim ve yapısı yalnız metal cinsine bağlı değil, elektroliz koşullarına da bağlıdır. Katotta bir metalin indirgenmesi de bir kristalleşme hadisesi olarak düşünülebilir. Kaplamanın özellikleri oluşan bu kristallerin morfolojisine bağlıdır. Kristallerin şekli yanında büyüklüğü, oluşum hızı veya büyüme hızı kaplama özelliklerini etkiler. Kristallerin büyüme hızları, oluşum hızlarından daha büyük olursa büyük kristaller, daha küçük olursa küçük kristaller oluşur. Kristal zerrelerin oluşumunu kolaylaştıran koşullarda küçük kristaller oluştuğunda yapı gayet düzgün, ince, altlıkla yapışma mukavemeti çok iyi bir tabaka sağlar [82, 83].
Kompozit kaplama yöntemi 1962’de Grazon tarafından literatürde ilk bahsi geçtiğinden itibaren yirmi yıllık süreçte daha da geliştirildi. Onun ilk uygulaması SiC/Ni kaplama hakkında idi. Metzger ve arkadaşları ilk kaplamayı Wankel motorundaki aşınma direncini iyileştirmek için gerçekleştirdi. SiC/Ni kompozit kaplamalar 1970’den beri hala otomotiv endüstrisinde aşınma parçaları için başarı ile kullanılmaktadır [82, 84].
Al2O3, Si3N4, SiC, CeO2, Cr2O3, B4C, MoS2, ZrO2, TiO2, WC vb. içeren seramik tozların kullanımı literatürde ifade edilmektedir [85, 86]. Bunların kullanımındaki genel amaç kaplamanın fiziksel ve mekanik birçok özelliklerinin önemli şekilde iyileştirilmesidir. İlaveten poli tetra flor etilen (PTFE) ve poli etilen (PE) gibi polimer partikülleri de sürtünme katsayısını azaltmak suretiyle kompozit yüzeyini yapışkan olmayan hale getirmek için de kullanılmaktadır [85].
Bu yöntemle kompozit kaplama; düşük kurulum ve işletme maliyeti, uygulama sıcaklığının düşük olması, işlem parametrelerinin kolay kontrol edilebilmesi avantajları nedeniyle daha ucuz ve cazip bir yöntem olarak gözükmektedir [80, 82]. Bu metot yoluyla bir metal matriks içine parçacıkların katılması, akımlı ve akımsız kaplama olmak üzere iki farklı tekniğe dayanmaktadır [81, 84].
Akımlı kaplamalar da kendi içerisinde doğru akım ve kesikli akım olarak sınıflandırılmaktadır. Kesikli akım (PC) bir alt kola ayrılmakla birlikte kesikli
38
dönüşümlü akım (PRC) adını almaktadır. Literatürde tüm bu akım türleriyle yapılmış pek çok kompozit kaplama çalışmaları mevcut olup, kesikli akım türleriyle yapılan kompozit kaplama çalışmalarından genellikle daha iyi sonuçlar elde edilmiştir.
Kompozit elektro kaplama; malzemenin aşınma direnci, yağlayıcılık veya korozyon dayanımını geliştirmek için aynı zamanda son yıllarda pillerde alternatif anot ve katot üretimi için metal ve metal dışı ince parçacıkların kaplama tabakasında biriktirilmesi suretiyle uygulanan bir yöntemdir. Proses süresince çözünmez yapıdaki malzemeler, geleneksel bir kaplama elektrolitinde askıda bırakılır ve büyüyen metal filmde tutulur. İkinci faz malzeme toz, fiber veya kapsüllü parçacıklar olabilir. Kaplama tabakasında bulunan ikincil faz parçacıkları genellikle, artan mikrosertlik, akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve aşınma direnci sağlar. Bu kaplamalar birçok endüstriyel uygulama için son derece ilgi çekici olmaya başlamıştır. Son yıllarda özellikle Lityum iyon pillerde alternatif anot ve katot üretimi amacıyla yaygın bir şekilde kullanılan elektrokompozit kaplamalar, kompozit esaslı anot malzemelerin üretilmesinde düşük üretim maliyetlerinden dolayı tercih edilmektedir. Özellikle KNT, C, Grafen gibi ikincil fazlardan faydalanılarak kompozit esaslı anot üretimi yapılmaktadır.
Son zamanlarda, parçacık boyutlarının daha da küçük olarak elde edilebilirliği sayesinde potansiyel MMK uygulamaları genişlemektedir. Mikron altı boyutta parçacıklar, metal matriks içine yalnızca metal parçacık temas yüzeyinin artırılması suretiyle kompozitin homojenitesini geliştirmek için değil, ayrıca kompozit malzemelerin mikro aygıtlarda kullanılması için de bir gereklilik olarak kullanılmaktadır. Bu aygıtlarda kullanılan parçalar mikro boyutlarda olduğundan dolayı, matriks içindeki ikinci faz malzeme, nanometrik boyuta kadar gitgide küçülen ebatta olma zorunluluğundadır. Böylece, ince olarak dağıtılmış parçacıkların elektro çöktürme prosesiyle bir metal matriks içinde biriktirilmesi, kaçınılmaz olarak yeni nesil kompozitlerin yolunu açacaktır. Ayrıca, parçacık boyutundaki düşmenin aşınma direncini pozitif yönde etkilediği de bilinmektedir [81].
Nano ölçekli parçacıkların bir elektro kaplama prosesi içerisinde üst katmanda biriktirilmesi, gelişmiş malzemeler üretmek için gelecek vaat eden bir yöntemdir.
Dispersantlar, daha fazla sertlik ve artan sertliğe karşın düşük kalıntı çekme gerilmeleri sağlayabilirler. Bu nedenle, elektrolitik kompozit nikel filmler, iyi anti-korozif davranış ve aşınma direnci gösterirler. Dağıtılmış faz olarak seramik parçacıklarını içeren metal matriksli kompozitler, özellikle aşınma ve sürtünmeye karşı dayanım amaçlı olarak mühendislik alanlarında oldukça fazla kullanılmaktadırlar. Hacimce % 15’e kadar mikron boyutlu parçacıkların biriktirilmesi yöntemi, birkaç yıldan beri en gelişmiş teknolojidir. Nano boyutlu kompozit kaplamalar, bugünlerde özellikle mikro elektronikler, mikro elektrokimyasal sistemler, pil sistemleri ve duyarlılık mühendisliğindeki bağlantı elemanları, tümleşik devrelerin ara bağlantıları ve hareket elemanları veya yataklarda son derece ilgi çekmektedir.
Kompozit kaplamalarda biriktirilen mikronaltı ve nano boyutlu parçacıklar, malzeme özellikleri için avantajlı olsalar da, maalesef aglomere olma eğilimindedirler.Bundan dolayı, elektrolitik kaplama süresince çözelti içerisindeki parçacıklar yeterli şekilde disperse edilmelidirler. Parçacıkların çökelmesini önlemek için kullanılan manyetik karıştırmaya ilave olarak, aglomerasyona karşı da ultrasonik homojenizatör ve yüzey aktif maddeler kullanılmaktadır.
Ultrasonik etki altındaki saf metallerin elektrolitik biriktirilmesi birkaç yıldır geleneksel yönteme göre çeşitli faydalar sağladığı için kayda değer kabul edilmiştir. Bu faydalar arasında artan kaplama sertliği, büyüyen film kalınlığı, iyileşen birikme hızı ve altlığa daha iyi yapışma sayılabilir. Bu etkinin olabilmesi, akustik akıntı, elektrodun sürekli aktivasyonu ve çözeltiden ultrasonik yolla gaz çıkışı ile elektrot yüzeyine aktif parçacıkların (species) artan transferi hadiselerine bağlıdır [84].